КЛИНОВИДНЫЙ КОНЦЕНТРАТОР СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2024 года по МПК A61L9/20 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Изобретение относится к области оптических систем, а именно к концентраторам светового излучения, способных собирать световой поток с протяжённых источников света и концентрировать его в нужном месте.

[0002] Заявляемое изобретение может применяться в различных областях оптики и светотехники, но самой актуальной областью применения, с учётом распространения коронавирусной инфекции, является использование в ультрафиолетовых бактерицидных обеззараживателях для проведения дезинфекции направленным излучением в нужном спектральном диапазоне.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0003] Известен бактерицидный ультрафиолетовый светодиодный облучатель, включающий корпус с отражающей параболической поверхностью, внутри которого расположен источник ультрафиолетового излучения в виде светодиода, закрепленный на теплоотводящей пластине, при этом внутри корпуса дополнительно установлена линза, светодиод закреплен в фокусе линзы, при этом на светодиоде закреплена сферическая линза для формирования направленности потока УФ-излучения от светодиода, а внутренняя параболическая поверхность корпуса покрыта зеркальным отражающим покрытием [патент RU197893U1, дата публикации 04.06.2020].

[0004] Недостаток заключается в том, что на сегодня отсутствуют мощные и недорогие светодиоды в диапазоне излучения 264 нм. Даже в случае появления таких светодиодов они будут иметь широкий спектр излучения, в то время как ртутная лампа низкого давления имеет узкий спектр излучения, что лучше для бактерицидного воздействия, поскольку большая спектральная мощность оказывает резонансное воздействие на молекулы ДНК и РНК.

[0005] Также известен бактерицидный облучатель, содержащий центральную стойку с верхними и нижними ламподержателями-патронами, в которых вокруг центральной стойки закреплены газоразрядные ртутные лампы низкого давления, при этом верхний и нижний ламподержатели-патроны каждой газоразрядной ртутной лампы низкого давления одинаково удалены - установлены на равном расстоянии от вертикальной оси центральной стойки. Верхний и нижний ламподержатели-патроны каждой газоразрядной ртутной лампы низкого давления смещены по вертикали относительно друг друга, при этом продольные оси газоразрядных ртутных ламп низкого давления расположены с наклоном к вертикальным плоскостям, проходящим через вертикальную ось центральной стойки и ламподержатель-патрон каждой газоразрядной ртутной лампы низкого давления [патент RU2527677, дата публикации 10.09.2014].

[0006] Недостаток данного облучателя заключается в том, что данный облучатель не имеет направленного действия и, по сравнению с направленным, имеет ряд недостатков, в частности ненаправленное облучение нельзя проводить в присутствии людей. Кроме того воздействие ненаправленным излучением дольше по времени.

[0007] Известны световоды (фоконы) зеркальные и стеклянные с расположенным источником света в торце фокона [«Оптика световодов» Bейберг В.Б., Саттаров Д.К, 1977].

[0008] Недостатком фоконов является то, что они не способны собрать излучение с протяжённого источника излучения. По классической схеме источник света находится в торце фокона. При значительных размерах источника света габариты фокона становятся значительными.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0009] Техническая проблема, на решение которой направлена группа изобретений, состоит в coздании направленного источника УФ излучения в диапазоне 264 нм, способного быстро воздействовать на обрабатываемые объекты ударной дозой излучения, которые могут использоваться в бактерицидных УФ облучателях, применяемых, в том числе, в медицинских целях, например, при облучении открытых ран или внутренних органов.

[0010] Технический результат, достигаемый при реализации заявляемой группы изобретений, заключается в расширении функциональных возможностей УФ облучателей за счет создания направленного излучения, которое по сравнению с ненаправленным излучением имеет следующие преимущества:

[0011] направленное излучение можно применять в присутствии людей при использовании защитных очков;

[0012] при применении направленного УФ излучения уменьшается время на обработку зараженных объектов;

[0013] если предмет обработки является объёмным и/или неровный, то его необходимо крутить вокруг облучателя;

[0014] направленный УФ облучатель может применяться не только для обеззараживания зараженных объектов в условиях распространения коронавирусной инфекции, но и непосредственно в медицинских целях при обеззараживании открытых ран или порезов.

[0015] Заявляемый технический результат достигается за счет того, что клиновидный концентратор светового излучения включает в себя оптический клин в виде конуса или клиновидной пластины с углом α при вершине, выполненный из оптически прозрачного материала, размещенный во внутреннем зеркале, выполненным в виде конуса или клиновидной пластины соответственно, с тем же углом α при вершине, протяжённый источник света в виде слоя светящегося газа, расположенный между оптическим клином и зеркальной поверхностью, причем между слоем светящегося газа и внутренним зеркалом размещен слой прозрачного диэлектрика, при этом величина угла α обеспечивает неоднократное прохождение луча от протяженного источника света через оптический клин в поперечном направлении.

[0016] Кроме того, в частном случае реализации изобретения в качестве прозрачного диэлектрика используется увиолевое стекло толщиной 2-3 мм.

[0017] Также заявляемый технический результат достигается за счет того, что клиновидный концентратор включает в себя оптический клин в виде клиновидной пластины с углом α при вершине, выполненный из оптически прозрачного материала, размещенный с воздушным зазором во внутреннем зеркале, выполненным в виде клиновидной пластины с тем же углом α при вершине, источники света в виде светодиодов, размещенных в отверстиях зеркального элемента, при этом величина угла α обеспечивает неоднократное прохождение луча от источника света через оптический клин в поперечном направлении.

[0018] Кроме того, в частном случае реализации изобретения оптический клин выполнен из кварца.

[0019] Кроме того, в частном случае реализации изобретения угол α составляет не более 15 градусов.

[0020] Кроме того, в частном случае реализации изобретения соотношение длинны оптического клина к диаметру (или ширине) составляет 3:1 и более.

CВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ РЕАЛИЗАЦИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0021] Заявляемое изобретение подтверждается чертежами, на которых изображены:

[0022] Фиг.1 – общий вид концентратора в виде конуса или клиновидной пластины на основе газового слоя;

[0023] Фиг.2 – общий вид концентратора в виде клиновидной пластины на основе светодиодов;

[0024] На чертежах позиции имеют следующие обозначения:

1 – оптический элемент в виде конуса или клиновидной пластины;

2 – зеркальный элемент;

3 – светящийся газовый слой;

4 – слой прозрачного диэлектрика;

5 – светодиоды;

6 – воздушный промежуток;

7 – электродные узлы;

[0025] Клиновидный концентратор светового излучения (фиг.1) включает в себя оптический клин 1, выполненный из прозрачного оптического материала, в виде конуса или клиновидной пластины с углом α при вершине, который размещен с зазором во внутреннем зеркале 2, выполненным соответственно в виде конуса или клиновидной пластины с тем же углом α при вершине, протяжённый источник света 3 в виде светящегося газового слоя, расположенный между оптическим 1 клином и внутреннем зеркалом 2. В качестве светящегося газа 3 может быть использованы, например, пары ртути.

[0026] При этом величина угла α выбирается из условия, при котором обеспечивается неоднократное (три и более) раз прохождение перпендикулярного луча источника света 3 в поперечном направлении оптического клина 1, пока он не «затянется» в оптический клин 1.

[0027] В заявляемой системе лучи от источника света 3 вначале проходят несколько раз поперёк оптической системы – оптический клин 1 и внутреннее зеркало 2, и с каждым проходом угол наклона к оптической оси уменьшается. После определённого числа проходов луча поперёк оптической системы угол падения на поверхность оптического клина 1 будет равен или больше угла полного внутреннего отражения (ПВО) и луч далее не выйдет из оптического клина 1 и будет распространяться внутри него по закону ПВО. Перпендикулярным лучом называется луч, падающий перпендикулярно на поверхность оптического клина 1, коническую или плоскую соответственно, т.е. угол падения = 0.

[0028] Первоначальное поперечное прохождение лучей обеспечивается внутренним зеркалом 2. Количество прохождения лучей поперек оптической системы определяется величиной угла α, чем угол α меньше, тем больше количество прохождений лучей. В предпочтительном варианте реализации изобретения угол α составляет не более 15 градусов.

[0029] Между внутреннем зеркалом 2 и светящимся газовым слоем 3 находится тонкий слой прозрачного диэлектрика 4, обеспечивающий изоляцию металлического зеркала от токопроводящего газового слоя 3 для исключения пробоя между ними. Для формирования слоя диэлектрика 4 может быть использовано, например, увиолевое стекло, как самое простое с точки зрения технологии.

[0030] При этом, чем слой прозрачного диэлектрика 4 толще, тем больше оптическая длина хода поперечных лучей, что приводит к увеличению габаритов (диаметр или ширина) оптической системы. Например, диэлектрический слой 4 из увиолевого стекла может иметь толщину 2-3мм, тоньше не желательно из-за хрупкости.

[0031] В предпочтительно варианте реализации изобретения оптический клин 1 выполнен из кварца, как самом оптически чистом и недорогом материале.

[0032] Соотношение длинны к диаметру (или ширине) оптического клина 1 составляет 3:1 и более. Максимальная длина ограничена технологией изготовления и допустимыми габаритами устройства (не более 100:1).

[0033] На фиг. 2 представлен вариант клиновидного концентратора светового излучения, где в качестве протяжённого источника света применяются светодиоды 5, размещенные в отверстиях внутреннего зеркала 2, при этом оптический клин 1 размещен во внутреннем зеркале 2 с образованием воздушного промежутка 6.

[0034] В этом случае, чтобы уменьшить длину поперечного прохождения лучей и, соответственно, габариты устройства, толщина воздушного промежутка 6 должна быть минимальна, предпочтительно не более 1мм, для обеспечения полного внутреннего отражения (ПВО).

Устройство работает следующим образом.

[0035] Лучи от протяженного источника света 3 (фиг.1), проходя в поперечном направлении через оптический клин 1, с каждым проходом поджимаются к оптической оси. После определенного числа проходов, обусловленного углом α, угол падения β на границу «кварц – газ» становится равен или больше углу ПВО и луч в дальнейшем на поверхность оптического клина 1 не выходит и распространяется к его выходному торцу по закону ПВО.

[0036] Эффективность работы устройства обуславливается следующими факторами:

[0037] излучение распространяется в оптическом клине 1 из кварца - чистом оптически-прозрачном материале;

[0038] отражение в оптическом клине 1 идет по закону ПВО, т.е. коэффициент отражения близок к единице;

[0039] отсутствуют френелевские потери, т.е. френелевское отражение присутствует, но оно не является потерей, поскольку весь отраженный свет распространяется к выходному торцу оптического клина 1.

[0040] Осуществление изобретения с указанным назначением и подтверждением возможности достижения заявленного технического результата подтверждается результатами компьютерного моделирования с использованием программного комплекса «ZEMAX», который предназначен для моделирования, проектирования и анализа эффективности различных оптических систем (https://www.zemax.com/).

[0041] Исходные данные для расчета были следующие:

1. Для бактерицидного воздействия исходим из следующих данных: 5мДж/см² (90%) - 15мДж/см² (99,9%), т.е заявленная доза облучения на объекте должна лежать в этом диапазоне.

2. Расстояние до объекта 3 - 10см, время облучения 1 - 5 сек.

3. Светоотдача паров ртути на длине волны 254 нм с 1 см³ примерно 60 мВт.

4. КПД системы, в зависимости от параметров, лежит в диапазоне 20 - 45%.

5. Углы α при вершине оптического клина 1 кратны целому числу проходов поперёк перпендикулярного луча. А именно, 43,2 град ÷ n, где n - число проходов. Например, в градусах угол при вершине клина равен 14,4 град (n=3), 10,8 (n=4), 8,64 (n=5), 7,2 (n=6) ... и т д.

[0042] Полученные расчетно-экспериментальные данные показали подтверждение заявляемого технического результата: пропускание системы составляет до 45% и расходимость на выходе около 20 град у концентратора на основе источника света с газовым слоем и 35-40 град у концентратора на основе светодиодного источника света.

Группа изобретений относится к медицинской технике, а именно к концентраторам светового излучения. Клиновидный концентратор светового излучения включает в себя оптический клин в виде конуса или клиновидной пластины с углом α при вершине, внутреннее зеркало, выполненное в виде конуса или клиновидной пластины с углом α при вершине, и протяжённый источник света в виде слоя светящегося газа. Оптический клин выполнен из оптически прозрачного материала и размещен во внутреннем зеркале. Протяжённый источник света расположен между оптическим клином и внутреннем зеркалом. Между слоем светящегося газа и внутренним зеркалом размещен слой прозрачного диэлектрика. Величина угла α обеспечивает неоднократное прохождение луча от протяженного источника света через оптический клин в поперечном направлении. Во втором варианте выполнения клиновидный концентратор светового излучения включает источники света в виде светодиодов, которые размещены в отверстиях внутреннего зеркала, а оптический клин размещен с воздушным зазором во внутреннем зеркале. Использование группы изобретений обеспечивает возможность создания направленного ультрафиолетового излучения, что сокращает время на обработку объектов. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Клиновидный концентратор светового излучения, включающий в себя оптический клин в виде конуса или клиновидной пластины с углом α при вершине, выполненный из оптически прозрачного материала, размещенный во внутреннем зеркале, выполненном в виде конуса или клиновидной пластины соответственно с тем же углом α при вершине, протяжённый источник света в виде слоя светящегося газа, расположенный между оптическим клином и внутреннем зеркалом, причем между слоем светящегося газа и внутренним зеркалом размещен слой прозрачного диэлектрика, при этом величина угла α обеспечивает неоднократное прохождение луча от протяженного источника света через оптический клин в поперечном направлении.

2. Клиновидный концентратор по п.1, отличающийся тем, что в качестве прозрачного диэлектрика используется увиолевое стекло толщиной 2-3 мм.

3. Клиновидный концентратор по п.1, отличающийся тем, что угол α составляет не более 15 градусов.

4. Клиновидный концентратор по п.1, отличающийся тем, что соотношение длины оптического клина и ширины составляет 3:1 и более.

5. Клиновидный концентратор светового излучения, включающий в себя оптический клин в виде клиновидной пластины с углом α при вершине, выполненный из оптически прозрачного материала, размещенный с воздушным зазором во внутреннем зеркале, выполненным в виде клиновидной пластины с тем же углом α при вершине, источники света в виде светодиодов, размещенные в отверстиях внутреннего зеркала, при этом величина угла α обеспечивает неоднократное прохождение луча от протяженного источника света через оптический клин в поперечном направлении.

6. Клиновидный концентратор по п.3, отличающийся тем, что оптический клин выполнен из кварца.

7. Клиновидный концентратор по п.3, отличающийся тем, что угол α составляет не более 15 градусов.

8. Клиновидный концентратор по п.3, отличающийся тем, что соотношение длины оптического клина и диаметра (или ширине) составляет 3:1 и более.